Difuzia în solide, lichide și gaze: definiție, condiții

Printre numeroasele fenomene din fizică, procesuldifuzia se referă la una dintre cele mai simple și mai ușor de înțeles. După fiecare dimineață, preparându-vă un ceai sau o cafea aromată, o persoană are posibilitatea de a observa această reacție în practică. Să învățăm mai multe despre acest proces și despre condițiile sale în diferite state agregate.

Ce este difuzia?

Acest cuvânt se referă la pătrunderea moleculelor sau atomilor unei substanțe între unități structurale similare ale alteia. Concentrația compușilor care penetrează este egalizată.

Acest proces a fost descris pentru prima oară în detaliu de către omul de știință german Adolf Fick în 1855.

Numele acestui termen a fost derivat din substantivul diffusio (interacțiune, difuzie, propagare).

Difuzia într-un lichid

Procesul în cauză poate avea loc cu substanțe în toate cele trei stări agregate: gazoase, lichide și solide. Pentru a găsi exemple practice de acest lucru, este doar să te uiți la bucătărie.

Borshch pe aragaz este unul dintre ei. Sub influența temperaturii unei molecule de glucozină betanină (o substanță datorită căreia sfeclă are o culoare roșie saturată) reacționează uniform cu moleculele de apă, conferindu-i o nuanță unică de visiniu. Acest caz este un exemplu de difuzie în lichide.

În plus față de borscht, acest proces poate fi văzut îno ceasca de ceai sau cafea. Ambele băuturi au o culoare saturată uniformă, datorită faptului că berii sau particulele de cafea, care se dizolvă în apă, se răspândesc uniform între moleculele sale, colorându-l. Pe același principiu, acțiunea tuturor băuturilor instant populare din anii nouăzeci este construită: Yupi, Invite, Zuko.

Interpenetarea gazului

Continuând să căutați în continuare manifestările procesului luat în considerare în bucătărie, merită să miroșiți și să vă bucurați de aroma plăcută care vine din buchetul de flori proaspete de pe masa de luat masa. De ce se întâmplă acest lucru?

Atomii și moleculele care transferă mirosul sunt în mișcare activă și, ca rezultat, sunt amestecate cu particule deja conținute în aer și dispersate destul de uniform pe întregul volum al camerei.

Aceasta este o manifestare a difuziei în gaze. Trebuie remarcat faptul că însăși inhalarea aerului se referă și la procesul în cauză, precum și la mirosul delicios al borschului proaspăt preparat în bucătărie.

Difuzia în solide

Masa de bucătărie, pe care se află florile, este acoperită cu o față de masă galbenă luminată. Acesta a primit o nuanță similară datorită capacității de difuzie de a trece prin solide.

Procesul de a conferi o nuanță uniformă unei pânze are loc în mai multe etape, după cum urmează.

1. Particulele de pigment galben difuzează în containerul de vopsire spre materialul fibros.
2. Apoi au fost absorbiți de suprafața exterioară a țesăturii vopsite.
3. Următorul pas a fost din nou difuzarea vopselei, dar de data aceasta în interiorul fibrelor web.
4. În final, particulele de pigment fixate pe țesături, astfel colorate.

Difuzarea gazelor în metale

De obicei, vorbind despre acest proces, ia în considerareinteracțiunea substanțelor în aceeași stare de agregare. De exemplu, difuzia în solide, solide. Pentru a dovedi acest fenomen, experimentul se desfășoară cu două plăci metalice presate împreună (aur și plumb). Interpenetarea moleculelor lor durează destul de mult timp (un milimetru în cinci ani). Acest proces este folosit pentru a face decorații neobișnuite.

Cu toate acestea, compușii din diferite stări agregative pot, de asemenea, să difuzeze. De exemplu, există difuzie de gaze în solide.

În procesul de experimentare, sa demonstrat că un proces similar are loc într-o stare atomică. Pentru ao activa, de regulă, aveți nevoie de o creștere semnificativă a temperaturii și presiunii.

Un exemplu de difuzie a gazului în solide este coroziunea pe bază de hidrogen. Se manifestă în situații în care atomii de hidrogen (H.₂) sub acțiunea temperaturilor ridicate (de la 200 la 650 grade Celsius) pătrund între particulele metalice structurale.

În plus față de hidrogen, în difuzia de solideoxigen și alte gaze. Acest proces invizibil pentru ochi face mult rău, deoarece structurile metalice se pot prăbuși din cauza acestuia.

Difuzia de lichide în metale

Cu toate acestea, nu numai moleculele de gaz pot pătrunde în solide, dar și în lichide. Ca și în cazul hidrogenului, cel mai adesea acest proces duce la coroziune (în cazul metalelor).

Un exemplu clasic de difuzie a unui lichid în solide este coroziunea metalelor sub influența apei (H.₂O) sau soluții de electroliți. Pentru majoritatea, acest proces este mai cunoscut sub numele de rugina. Spre deosebire de coroziunea pe bază de hidrogen, în practică trebuie să se întâlnească mult mai des.

Condiții de accelerare a difuziei. Coeficient de difuzie

Înțelegând substanțele în care poate să apară procesul în cauză, merită să știm despre condițiile de apariție a acestuia.

În primul rând, viteza de difuzie depinde destarea de agregare a substanțelor care interacționează. Cu cât este mai mare densitatea materialului în care are loc reacția, cu atât viteza este mai lentă.

În acest sens, difuzia în lichide și gaze va avea loc întotdeauna mai activ decât în ​​solide.

De exemplu, în cazul cristalelor de permanganat de potasiu KMnO_{4 (}permanganat de potasiu₎ aruncați în apă, ei vor da o culoare frumoasă în culoarea crimson pentru câteva minute. Cu toate acestea, dacă este presărat cu cristale KMnO₄ o bucată de gheață și puneți-o în congelator, după câteva ore, permanganatul de potasiu nu va putea să vopsească complet H₂O.

Din exemplul anterior, putem trage o altă concluzie cu privire la condițiile de difuzare. Pe lângă starea de agregare, viteza de interpenetare a particulelor este de asemenea afectată de temperatură.

Pentru a lua în considerare dependența procesului în cauză, merită să cunoaștem un astfel de concept ca și coeficientul de difuzie. Aceasta este caracteristica cantitativă a vitezei sale.

În majoritatea formulelor, este marcat cu ajutorul literei latine D mari și în sistemul SI se măsoară în metri pătrați pe secundă (m² / s), uneori în centimetri pe secundă (a se vedea²/ m).

Coeficientul de difuzie este egal cu cantitatea de substanțăîmprăștiate printr-o unitate de suprafață pe o unitate de timp, cu condiția ca diferența de densitate pe ambele suprafețe (situată la o distanță egală cu lungimea unității) să fie egală cu unitatea. Criteriile care determină D sunt proprietățile substanței în care are loc procesul de dispersie a particulelor și tipul lor.

Dependența coeficientului de temperatură poate fi descrisă folosind ecuația Arrhenius: D = D_0exp(-E / TR).

În formula de mai sus, E este energia minimă necesară pentru activarea procesului; T - temperatura (măsurată în Kelvin, nu Celsius); R este o caracteristică constantă a gazului pentru un gaz ideal.

În plus față de toate cele de mai sus, pentru vitezădifuzia în solide; lichidele din gaze sunt influențate de presiune și radiații (inductive sau de înaltă frecvență). În plus, mult depinde de prezența unei substanțe catalizatoare, de multe ori acționează ca un declanșator pentru începerea dispersiei active a particulelor.

Ecuația de difuzie

Acest fenomen este un tip particular de ecuație diferențială cu derivate parțiale.

Scopul său este de a găsi o relație de concentrare.substanțe de dimensiunea și coordonatele spațiului (în care difuzează), precum și timpul. În acest caz, coeficientul specificat caracterizează permeabilitatea mediului pentru reacție.

Cel mai adesea, ecuația de difuzie este scrisă după cum urmează: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].

În ea, φ (t și r) este densitatea substanței împrăștiate la punctul r la momentul t. D (φ, r) - coeficientul generalizat de difuzie la densitatea φ în punctul r.

∇ este un operator diferențial vector ale cărui componente prin coordonate aparțin unor derivate parțiale.

Atunci când coeficientul de difuzie depinde de densitate, ecuația este neliniară. Atunci când nu este - liniară.

Având în vedere definiția difuziei și a caracteristicilor acestui proces în diferite medii, se poate observa că are atât părți pozitive, cât și negative.